增加分流葉片對提高離心通風(fēng)機(jī)安全性能的分析

張毅會

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 晉城 048400）

引言

在煤炭的開采及使用過程中，離心通風(fēng)機(jī)作為常用的通風(fēng)設(shè)備，為煤礦井下開采的通風(fēng)提供重要的安全保障。提高離心通風(fēng)機(jī)的效率，不僅可以增強(qiáng)煤礦通風(fēng)安全能力，而且可以節(jié)約自身的能耗，提高整體的能源效率。靜壓、全壓效率及出口徑向速度是決定離心通風(fēng)機(jī)性能的重要指標(biāo)，依據(jù)離心通風(fēng)機(jī)的原理及能量損失，設(shè)計采用分流葉片的結(jié)構(gòu)，從而提高通風(fēng)機(jī)的性能，提高煤礦的開采效率及安全保障。

1 離心通風(fēng)機(jī)分析模型的建立

離心通風(fēng)機(jī)的能量損失主要由葉片的分離渦造成，通過在兩個葉片的吸力面及壓力面之間增加分流葉片結(jié)構(gòu)可改善能量的損失。設(shè)置主葉片與分流葉片的夾角為30°，分流葉片的型線與主葉片相同，如圖1所示[1]。R0為進(jìn)出口的半徑差值，R1為分流葉片的徑向投影長度，依據(jù)分流葉片的不同，設(shè)置不同的分流葉片R1/R0的比值分別為0.25、0.375、0.5及0.675，以此研究分流葉片對離心通風(fēng)機(jī)的性能作用。

圖1 分流葉片的安裝角度示意圖

計算流體動力學(xué)（CFD）通過有限元離散分析的形式，研究流場內(nèi)的物理變化，從而確定流場的變化規(guī)律。ANSYS CFX是被廣泛使用的CFD分析軟件，包含多種流體介質(zhì)模型，采用有限提及的方法對流場進(jìn)行分析，保證仿真分析的準(zhǔn)確性。采用ANSYS CFX軟件對離心通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行分析，需建立離心通風(fēng)機(jī)的三維模型。依據(jù)離心通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸建立三維模型，對葉輪區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將進(jìn)口及出口區(qū)域的網(wǎng)格控制進(jìn)行加密處理，分別建立原始的葉片及不同分流葉片的結(jié)構(gòu)模型，從而進(jìn)行離心通風(fēng)機(jī)的性能的分析。在數(shù)值分析中，設(shè)定流體介質(zhì)為25℃的空氣，通風(fēng)機(jī)的內(nèi)壁采用無滑移條件設(shè)置，進(jìn)出口連通大氣，入口處設(shè)置靜壓監(jiān)測，對離心通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)性能進(jìn)行仿真處理[2]。

2 增加分流葉片后離心通風(fēng)機(jī)性能的分析

2.1 效率

針對建立的模型，選取五種不同的流量系數(shù)分別進(jìn)行仿真處理，得到分流葉片及原始葉片的靜壓效率及全壓效率曲線分別如下頁圖2、圖3所示。從圖2、圖3中可以看出，離心通風(fēng)機(jī)增加分流葉片后，在流量系數(shù)較低時，其靜壓效率及全壓效率隨著分流葉片長度的增加而逐漸上升，當(dāng)R1/R0=0.5時，葉片的靜壓效率及全壓效率增加最大，相對原始葉片的靜壓效率增加7%，全壓效率增加5%。隨著流量系數(shù)的增加，采用分流葉片結(jié)構(gòu)的靜壓效率及全壓效率均有一定程度的增加，同時可以看到，當(dāng)流量系數(shù)增加到高流量系數(shù)區(qū)域時，則分流葉片的靜壓效率下降，相對原始葉片結(jié)構(gòu)，效率提升有限，在R1/R0=0.675時靜壓效率及全壓效率則相對原始葉片結(jié)構(gòu)有較大的幅值下降，此時分流葉片結(jié)構(gòu)對于靜壓效率及全壓效率不再起作用[3]，在對分流葉片的設(shè)計及分析過程中不再對此種形式進(jìn)行討論。

圖2 分流葉片及原始葉片靜壓效率變化曲線

圖3 分流葉片及原始葉片全壓效率變化曲線

2.2 出口徑向速度

離心通風(fēng)機(jī)出口處的徑向速度是提升通風(fēng)機(jī)安全性能的重要參數(shù)，增加分流葉片對于離心通風(fēng)機(jī)的效率具有一定的提升作用，在此基礎(chǔ)上，對離心通風(fēng)機(jī)的出口徑向速度進(jìn)行分析。在額定流量系數(shù)工況下[4]，對分流葉片及原始葉片離心通風(fēng)機(jī)的出口徑向速度進(jìn)行仿真統(tǒng)計得到如下頁圖4所示的徑向速度變化曲線。從圖4中可以看出，在額定流量系數(shù)下，分流葉片離心通風(fēng)機(jī)的徑向流動速度分布均勻，出口處的徑向速度波動較小，在數(shù)值上，分流葉片的徑向速度要大于原始葉片結(jié)構(gòu)的徑向速度。在三種不同的長度系數(shù)分流葉片結(jié)構(gòu)中，三者之間的速度值相差不大，均要大于原始葉片結(jié)構(gòu)的徑向速度。在額定的流量系數(shù)工況下，二次流等復(fù)雜流動對主氣流的影響較小，沒有明顯的徑向回流現(xiàn)象，對于徑向速度的提升作用明顯。

圖4 分流葉片及原始葉片出口徑向速度變化曲線

對不同長度系數(shù)的分流葉片及原始葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，采用分流葉片對離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場具有明顯的改善作用。分流葉片能夠改善主葉片分離渦的產(chǎn)生與分離，在低流量系數(shù)與額定流量系數(shù)下，分流葉片能夠削弱二次流等復(fù)雜流動的影響作用，提升離心通風(fēng)機(jī)的靜壓效率及全壓效率。在不同長度系數(shù)的分流葉片中，對于出口處的徑向速度均有一定程度的提升作用，對于提高通風(fēng)機(jī)的性能具有較好的效果。

3 結(jié)論

增加分流葉片的結(jié)構(gòu)對于離心通風(fēng)機(jī)的靜壓效率及全壓效率在低流量及額定流量系數(shù)下具有一定程度的提升，且能夠提高出口處的徑向速度。由此說明，分流葉片對于提高離心通風(fēng)機(jī)的性能具有較好的作用，從而可以提高煤礦的安全保障及經(jīng)濟(jì)效益，提高煤炭的綜合利用率。